隨著功率半導(dǎo)體器件（簡(jiǎn)稱功率器件）的技術(shù)發(fā)展與工藝進(jìn)步，電力電子系統(tǒng)在直流輸電、電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、微電網(wǎng)、可再生能源發(fā)電、儲(chǔ)能等高效電能變換系統(tǒng)中發(fā)揮了越來越重要的作用，于是對(duì)電力電子系統(tǒng)的可靠性要求也越來越高。有關(guān)電力電子系統(tǒng)可靠性調(diào)研報(bào)告表明，功率器件在變流系統(tǒng)中失效率最高，約占34%。因此，功率器件的運(yùn)行可靠性研究是電力電子系統(tǒng)可靠性研究的一個(gè)重點(diǎn)。

根據(jù)失效部位，功率器件的失效可分為兩大類：芯片失效和封裝失效。誘發(fā)器件芯片失效的因素主要有電氣過應(yīng)力、靜電放電損傷、鋁極金屬重構(gòu)、熱失控等，可歸納為電擊穿和熱擊穿兩類。文獻(xiàn)[4]提出電擊穿失效的本質(zhì)也是因溫度過高而最終導(dǎo)致熱擊穿失效。封裝失效可分為鍵合線失效與焊料層疲勞兩種。鍵合線失效主要由較高的結(jié)溫引起，焊料層疲勞多由長(zhǎng)期熱循環(huán)引起。雖然表現(xiàn)形式不同，但芯片失效和封裝失效均與最高結(jié)溫、結(jié)溫波動(dòng)幅度與變化率、平均結(jié)溫等因素有關(guān)?？梢?，在線監(jiān)控器件實(shí)時(shí)結(jié)溫是監(jiān)控器件及系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

一方面，在以往的電力電子系統(tǒng)開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)人員大多依靠器件數(shù)據(jù)手冊(cè)，憑借經(jīng)驗(yàn)留較大的余量。另一方面，器件數(shù)據(jù)手冊(cè)通常只提供熱特性參數(shù)的靜態(tài)最大值，基于此得到的器件結(jié)溫估計(jì)值與實(shí)際結(jié)溫之間不可避免地存在偏差。

文獻(xiàn)[8]表明，基于器件數(shù)據(jù)手冊(cè)熱阻抗參數(shù)及實(shí)驗(yàn)工況計(jì)算得到的結(jié)溫比用紅外攝像機(jī)得到的器件真實(shí)結(jié)溫要高。為解決該問題，實(shí)際工程應(yīng)用中的冷卻系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)得偏大，增加了系統(tǒng)體積、重量與成本。上述兩方面均會(huì)折損系統(tǒng)的性價(jià)比。因此，準(zhǔn)確的結(jié)溫提取無疑將有助于提高系統(tǒng)單位功率密度的性價(jià)比。

同時(shí)，結(jié)溫是影響器件功耗及開關(guān)特性的主要因素之一，準(zhǔn)確的結(jié)溫提取可為器件智能控制、性能評(píng)估、主動(dòng)熱管理、健康狀態(tài)評(píng)估及優(yōu)化器件壽命等方面提供重要的依據(jù)。因此，結(jié)溫提取對(duì)提升功率器件及電力電子應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性十分重要。

本文首先分析功率器件結(jié)溫在線提取的必要性，然后概述現(xiàn)階段功率器件結(jié)溫提取方法的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，特別對(duì)適用于全封裝器件結(jié)溫在線提取的溫敏參數(shù)法進(jìn)行詳細(xì)的總結(jié)，在此基礎(chǔ)上對(duì)新型碳化硅（SiC）功率器件的結(jié)溫提取方法進(jìn)行了展望。

1 結(jié)溫在線提取的必要性

電力電子系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，功率等級(jí)不斷提高，對(duì)電力電子系統(tǒng)可靠性的要求也越來越高。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)器件運(yùn)行狀態(tài)，提取相應(yīng)參數(shù)，進(jìn)行故障診斷和故障預(yù)測(cè)，是提升功率器件應(yīng)用可靠性的常用手段；主動(dòng)熱管理、智能控制等也是提高功率器件應(yīng)用可靠性的重要途徑。

1.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

目前功率器件的健康狀態(tài)通常通過監(jiān)測(cè)通態(tài)電阻、門限電壓、關(guān)斷時(shí)間、門極信號(hào)等參數(shù)來判斷，這些參數(shù)均與結(jié)溫有關(guān)。采用鋁線鍵合工藝封裝的IGBT器件中，鍵合線是較為脆弱的環(huán)節(jié)，鍵合線的健康狀況可通過通態(tài)電阻的變化來判斷。

但是，芯片結(jié)溫升高，載流子遷移率減小，也會(huì)引起器件通態(tài)電阻的變化。在單獨(dú)使用器件通態(tài)電阻作為健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)時(shí)，可能會(huì)存在器件健康狀態(tài)被誤判的情況。其他受溫度影響的狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)，也存在類似的問題。因此，為了準(zhǔn)確評(píng)估器件的健康狀態(tài)，需實(shí)時(shí)在線提取器件結(jié)溫，對(duì)器件健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)償。

焊料層疲勞也是引起器件故障的一個(gè)重要因素。檢測(cè)熱阻的變化是判斷焊料層疲勞的常用方法。目前，熱阻主要通過芯片功耗、殼溫及結(jié)溫的關(guān)系式計(jì)算得到，也需要在線準(zhǔn)確獲取器件結(jié)溫信息。

1.2 主動(dòng)熱管理

過熱和寬幅熱循環(huán)是引起功率器件故障的兩個(gè)主要原因。當(dāng)功率器件連續(xù)運(yùn)行溫度超過安全結(jié)溫限制時(shí)，可能引發(fā)器件故障；寬幅熱循環(huán)誘發(fā)器件物理勞損，當(dāng)累計(jì)的物理勞損超過一定限度時(shí)，功率器件發(fā)生故障。這兩種故障機(jī)理分別對(duì)應(yīng)過熱與結(jié)溫循環(huán)引起的器件故障。因此，根據(jù)結(jié)溫，實(shí)時(shí)調(diào)整功率變換器的功耗，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)熱管理，利于減少相應(yīng)故障的發(fā)生，提高系統(tǒng)的可靠性。

針對(duì)多芯片并聯(lián)功率模塊或多模塊系統(tǒng)中電流分配不均導(dǎo)致溫度分布不均引起的故障問題，文獻(xiàn)[13]提出根據(jù)結(jié)溫實(shí)時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)大小，平衡電流分配，減小局部結(jié)溫波動(dòng)，提高系統(tǒng)可靠性。

由上述分析可知，在線準(zhǔn)確獲取實(shí)時(shí)結(jié)溫信息是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控和主動(dòng)熱管理的關(guān)鍵，也是提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。

2 常用的結(jié)溫提取方法

半導(dǎo)體芯片通常封裝在模塊內(nèi)部，芯片不易直接接觸，結(jié)溫難以直接觀測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)功率器件的結(jié)溫提取和檢測(cè)方法進(jìn)行了深入的研究，提出了多種方法。根據(jù)結(jié)溫提取方法的物理特點(diǎn)，主要可歸納為光學(xué)法、熱網(wǎng)絡(luò)法、物理接觸法和溫敏參數(shù)法四類。

光學(xué)法不適用于在線測(cè)量，熱網(wǎng)絡(luò)法和物理接觸法適用于在線測(cè)量，但難以獲取芯片的真實(shí)結(jié)溫。文獻(xiàn)[14]已對(duì)這三類結(jié)溫提取方法進(jìn)行了很好的梳理，并進(jìn)行了綜合比較，本文不再贅述。溫敏參數(shù)法適合在線測(cè)量，響應(yīng)速度快、成本低，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，逐步成為目前結(jié)溫在線提取的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[14]僅對(duì)少數(shù)幾種溫敏參數(shù)法進(jìn)行了分析總結(jié)，仍有多種溫敏參數(shù)法沒有論及，本文將從不同于文獻(xiàn)[14]的視角，更客觀、更廣泛地對(duì)已出現(xiàn)的溫敏參數(shù)法進(jìn)行全面梳理。

溫敏參數(shù)法的物理機(jī)理在于，器件內(nèi)部一些物理參數(shù)會(huì)隨著結(jié)溫的變化而變化，例如，本征載流子濃度和載流子壽命隨溫度升高而增大，載流子遷移率隨溫度升高而減小。內(nèi)部物理參數(shù)隨結(jié)溫的變化使器件相應(yīng)的電氣參數(shù)發(fā)生偏移，外在表現(xiàn)為通態(tài)電阻/壓降、開通/關(guān)斷延時(shí)、電壓/電流變化率等參數(shù)的變化，這些隨結(jié)溫的變化而變化的電氣參數(shù)稱為溫敏參數(shù)。

不同溫敏參數(shù)法在靈敏度、線性度、魯棒性等方面各具優(yōu)缺點(diǎn)，需根據(jù)具體器件及實(shí)際運(yùn)行狀況選擇合適的溫敏參數(shù)來進(jìn)行結(jié)溫提取。下面就國(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)的溫敏參數(shù)的結(jié)溫提取方法進(jìn)行歸納總結(jié)。

3 基于溫敏參數(shù)的結(jié)溫提取方法（略）

眾多溫敏參數(shù)中，將直接受結(jié)溫變化影響的參數(shù)稱為直接溫敏參數(shù)，這類參數(shù)有門限電壓、通態(tài)電阻/壓降、米勒電容以及跨導(dǎo)等。將受單個(gè)或多個(gè)直接溫敏參數(shù)影響（相當(dāng)于間接受結(jié)溫變化影響）的參數(shù)稱為間接溫敏參數(shù)，這類參數(shù)有開通/關(guān)斷延時(shí)、短路電流、電壓/電流變化率等。本文基于直接溫敏參數(shù)和間接溫敏參數(shù)，對(duì)結(jié)溫提取方法進(jìn)行歸類，如圖1所示。下面分別對(duì)這些溫敏參數(shù)法進(jìn)行闡述。

圖1 溫敏參數(shù)法歸類圖

3.1 基于通態(tài)電阻/通態(tài)壓降的結(jié)溫提取方法

3.2 基于門限電壓的結(jié)溫提取方法

3.3 多溫敏參數(shù)綜合結(jié)溫提取法

4 溫敏參數(shù)法特性分析

溫敏參數(shù)法因在線測(cè)量應(yīng)用前景較好受到了廣泛關(guān)注，但實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)需考慮如下問題：寄生參數(shù)和器件老化對(duì)結(jié)溫測(cè)量的影響，溫敏參數(shù)與外部電路關(guān)聯(lián)對(duì)結(jié)溫測(cè)量的影響，以及結(jié)溫測(cè)量附加電路對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響等。下面對(duì)溫敏參數(shù)法的相關(guān)特性進(jìn)行分析，并就一些關(guān)鍵問題進(jìn)行歸納。

4.1 校正問題

溫敏參數(shù)法在應(yīng)用前，需對(duì)器件溫敏參數(shù)進(jìn)行校正以獲取溫敏參數(shù)與結(jié)溫的函數(shù)關(guān)系。校正時(shí)，應(yīng)盡可能限制器件的自熱，保證器件結(jié)溫與所控制的外部環(huán)境溫度一致。當(dāng)溫敏參數(shù)與結(jié)溫之間的線性關(guān)系良好時(shí)，可增大校正采樣間隔，減小校正工作量。

門限電壓的大小取決于柵極結(jié)構(gòu)、載流子濃度等參數(shù)，生產(chǎn)過程中的細(xì)微差別就可能導(dǎo)致門限電壓的分散，同一型號(hào)不同器件的門限電壓存在差異?；陂T限電壓的結(jié)溫提取方法及受門限電壓影響的溫敏參數(shù)法，如米勒時(shí)延法、開通時(shí)延法等，在應(yīng)用之前需對(duì)每一個(gè)器件進(jìn)行校正。

器件通態(tài)電阻由芯片通態(tài)電阻和連接線電阻構(gòu)成。在多芯片并聯(lián)的功率模塊中，芯片引線阻抗隨芯片在模塊中的位置不同而不同，使得模塊內(nèi)每個(gè)芯片的通態(tài)電阻具有分散性。因此，基于通態(tài)電阻的溫敏參數(shù)法需對(duì)模塊內(nèi)每個(gè)芯片都進(jìn)行校正，工作量較大。

器件老化引起的鍵合線性能劣化甚至脫落將使鍵合線與芯片有效接觸面積減小，通態(tài)電阻變大。門限電壓也會(huì)隨器件的老化而發(fā)生變化。在器件全生命周期末期，由老化引起的參數(shù)偏移會(huì)嚴(yán)重影響所有與門限電壓和通態(tài)電阻有關(guān)的結(jié)溫提取方法的準(zhǔn)確性。為保證結(jié)溫測(cè)量的準(zhǔn)確性，在器件整個(gè)生命周期中可能需引入幾次校正，或采取合適的補(bǔ)償方法。

4.2 溫敏參數(shù)法性能評(píng)估

溫敏參數(shù)法能否應(yīng)用于工程實(shí)際中是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。評(píng)判一種溫敏參數(shù)法能否應(yīng)用于工程實(shí)際時(shí)，需綜合考慮溫敏參數(shù)自身的準(zhǔn)確性及靈敏性、結(jié)溫測(cè)量的難易程度、對(duì)測(cè)量電路的性能要求等方面。表1歸納總結(jié)了已有的溫敏參數(shù)法的性能特點(diǎn)。不同的溫敏參數(shù)法展現(xiàn)的特性不同，下面就這些特性進(jìn)行簡(jiǎn)單的概述。

通態(tài)電阻法、小電流飽和壓降法和大電流注入法的通用性最好。但是通態(tài)電阻法和大電流注入法需同時(shí)測(cè)量器件壓降和負(fù)載電流，小電流飽和壓降法需增添輔助恒定電流源。這三種方法對(duì)測(cè)量電路要求均較高。連接線與芯片結(jié)溫變化不一致引入的偏差，會(huì)使通態(tài)電阻法、小電流飽和壓降法、短路電流法等在實(shí)際應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)測(cè)量誤差，需采用一定的方法來避免該誤差的引入。

驅(qū)動(dòng)電壓差比法和集電極開啟電壓法可避免由引線溫度差異引入的測(cè)量誤差，但這兩種方法分別在系統(tǒng)可靠性和靈敏度方面有一定的缺陷。大電流注入法、短路電流法、驅(qū)動(dòng)電壓差比法及集電極開啟電壓法都是在大電流情況下測(cè)量結(jié)溫，校正時(shí)由大電流引入的自熱不可忽視，若不采取一定的補(bǔ)償措施，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際結(jié)溫測(cè)量時(shí)出現(xiàn)偏差。

表1 溫敏參數(shù)法的性能評(píng)估

間接溫敏參數(shù)法和基于門限電壓的溫敏參數(shù)法與器件的開關(guān)暫態(tài)過程有關(guān)，測(cè)量帶寬由器件開關(guān)頻率決定，可在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)對(duì)器件結(jié)溫進(jìn)行非侵入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。但功率器件的開關(guān)速度較快，對(duì)測(cè)量器件的帶寬要求較高，溫敏參數(shù)也易受變流器系統(tǒng)內(nèi)部寄生參數(shù)引起的噪聲干擾。

關(guān)于時(shí)間的溫敏參數(shù)法如開通/關(guān)斷時(shí)延法、米勒時(shí)延法等，靈敏度較低，傳感器微小的測(cè)量誤差就可能導(dǎo)致較大的結(jié)溫測(cè)量誤差，且需配備高分辨率的計(jì)時(shí)器。由此可見，傳感器的測(cè)量帶寬與精度是間接溫敏參數(shù)法較為關(guān)鍵的因素。此外，校正運(yùn)行工況應(yīng)與實(shí)際運(yùn)行工況嚴(yán)格一致，以得到實(shí)際結(jié)溫的精確值，間接溫敏參數(shù)法對(duì)運(yùn)行工況，如母線電壓、負(fù)載電流等，依賴程度更高，增加了功率變換器結(jié)溫測(cè)量控制策略的復(fù)雜程度。

4.3 溫度參數(shù)法的局限性

實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，最高結(jié)溫與結(jié)溫波動(dòng)對(duì)器件的可靠性影響最大。溫敏參數(shù)法反映的是器件平均結(jié)溫，且不同的溫敏參數(shù)反映的是器件不同部位的溫度。文獻(xiàn)[26]表明門限電壓主要反映器件溝道溫度，MOSFET體二級(jí)管結(jié)溫主要反映體二級(jí)管區(qū)域結(jié)溫，而通態(tài)電阻主要反映漂移區(qū)溫度。

對(duì)于通過公共端子引出公共電極的多芯片并聯(lián)的功率模塊，溫敏參數(shù)法提取到的結(jié)溫受所有并聯(lián)器件的影響，不直接對(duì)應(yīng)某芯片的最高結(jié)溫、最低結(jié)溫或平均溫度。

測(cè)量電路與儀器的精度、靈敏度以及抗干擾能力也是采用溫敏參數(shù)法進(jìn)行結(jié)溫提取時(shí)面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。由前文分析可知，不同的溫敏參數(shù)結(jié)溫提取方法具有不同的特點(diǎn)，需結(jié)合實(shí)際工況及測(cè)量需求選擇合適的方法。

盡管應(yīng)用溫敏參數(shù)法具有一定的局限及挑戰(zhàn)性，但其憑借響應(yīng)速度快、適合在線測(cè)量等特點(diǎn)在所有的結(jié)溫測(cè)量方法中展現(xiàn)出較好的發(fā)展前景。

5 SiC功率器件結(jié)溫測(cè)量方法展望

與Si（硅）材料相比，SiC材料能帶間隙較寬、擊穿場(chǎng)強(qiáng)較高、電子飽和漂移速率較高，這些特性使SiC功率器件在高壓、高溫、高頻領(lǐng)域中展現(xiàn)出比Si功率器件更好的發(fā)展前景。近年來，SiC器件發(fā)展迅猛，SiC SBD（肖特基二極管）、SiC JFET（結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管）、SiC BJT（雙極結(jié)型晶體管）、SiC MOSFET等先后實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，SiC IGBT、SiC GTO等也實(shí)現(xiàn)了重大突破。

目前SiC器件的技術(shù)成熟度已能滿足汽車牽引驅(qū)動(dòng)器、航空航天設(shè)備及其他高溫、高效、高頻和高功率密度等不同應(yīng)用的電能變換器產(chǎn)品的開發(fā)。隨著面向不同應(yīng)用背景的SiC電能變換器產(chǎn)品和工業(yè)樣機(jī)的研制成功，SiC器件的溫度特性及高溫下的長(zhǎng)期可靠性問題開始成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。

5.1 溫敏參數(shù)法應(yīng)用于SiC功率器件時(shí)存在的問題

目前，SiC功率器件的結(jié)溫提取研究尚處于初期階段，由于半導(dǎo)體材料特性、器件結(jié)構(gòu)、制作工藝等與Si功率器件存在差異，探索SiC功率器件溫敏參數(shù)結(jié)溫提取方法時(shí)，需要注意以下幾個(gè)問題：

（1）與Si功率器件相比，SiC功率器件開關(guān)速度更快，電壓、電流變化率更大，可以工作在更高的開關(guān)頻率。測(cè)量電路與儀器的精度及開關(guān)噪聲對(duì)測(cè)量電路的影響是運(yùn)用開關(guān)暫態(tài)溫敏參數(shù)（與開關(guān)暫態(tài)過程相關(guān)的溫敏參數(shù)）提取結(jié)溫時(shí)需重點(diǎn)考慮的問題。

（2）SiC功率器件開關(guān)速度快，電壓、電流變化率與寄生電容、電感耦合產(chǎn)生的影響更嚴(yán)重，開關(guān)換流瞬態(tài)過程中電壓、電流波形振蕩相對(duì)來說較為嚴(yán)重。功率環(huán)路的電壓、電流振蕩可通過米勒電容影響驅(qū)動(dòng)回路的暫態(tài)特性，無疑會(huì)增加驅(qū)動(dòng)回路暫態(tài)溫敏參數(shù)法的測(cè)量難度。

（3）由于半導(dǎo)體材料、微觀物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)的不同，SiC功率器件的溫度特性與Si功率器件之間存在差異。例如：通過測(cè)量Si功率器件的米勒電容充放電時(shí)間，可提取器件的結(jié)溫信息，但相同電壓-電流等級(jí)的SiC功率器件的米勒電容比Si功率器件小，SiC功率器件米勒電容的充放電時(shí)間更短，測(cè)量更為困難；SiC材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為Si材料的10倍，較薄的漂移層可實(shí)現(xiàn)較高的耐壓，在相同耐壓情況下，SiC器件的單位面積導(dǎo)通電阻更低，因而對(duì)基于通態(tài)電阻的溫敏參數(shù)法測(cè)量?jī)x器精度要求較高。因此，研究SiC器件的結(jié)溫提取方法，不能原封不動(dòng)照搬Si器件的結(jié)溫提取方法。

（4）不同的SiC功率器件，結(jié)構(gòu)存在差異，需根據(jù)器件結(jié)溫變化的個(gè)性與共性進(jìn)行歸納研究。例如：導(dǎo)通狀態(tài)下SiC JFET和SiC MOSFET均可視為阻性元件，雖然在室溫以上，SiC MOSFET通態(tài)電阻整體上呈現(xiàn)出正溫度特性，但受SiC MOSFET柵極氧化層的影響，其溝道電阻呈現(xiàn)出負(fù)溫度特性，因此，相較于SiC JFET器件，SiC MOSFET通態(tài)電阻的溫度特性變化幅度較小。

若將通態(tài)電阻作為SiC MOSFET的溫敏參數(shù)，則其靈敏度不高，測(cè)量難度較大，準(zhǔn)確性也難以保證，因此需考慮使用其他溫敏參數(shù)進(jìn)行結(jié)溫測(cè)量。SiC JFET器件柵源極間寄生有PN結(jié)，可運(yùn)用該P(yáng)N結(jié)的溫度特性探索適用于SiC JFET的結(jié)溫提取方法；而SiC MOSFET器件柵源極間沒有寄生PN結(jié)，該方法不適用于SiC MOSFET器件。

因此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，須根據(jù)SiC功率器件的物理結(jié)構(gòu)，結(jié)合材料特性和工作機(jī)理，針對(duì)具體的器件進(jìn)行研究。

5.2 已有的基于溫敏參數(shù)的SiC功率器件結(jié)溫提取方法

國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者基于溫敏參數(shù)法探索研究了SiC功率器件結(jié)溫提取方法，下面對(duì)已有的研究進(jìn)行歸納分析。

文獻(xiàn)[43]提出，常斷型SiC JFET器件的通態(tài)電阻和柵-源正向?qū)▔航祐GS均為溫敏參數(shù)，可通過監(jiān)測(cè)這兩個(gè)參數(shù)的變化來反映器件結(jié)溫。

通態(tài)電阻法的校正方法和測(cè)量電路與Si功率器件的類似，但同等耐壓下，SiC功率器件的通態(tài)電阻值較小，對(duì)測(cè)量?jī)x器的精度要求更高，且同樣存在連接線溫度與芯片結(jié)溫不一致及鍵合線老化帶來的影響。柵-源正向?qū)▔航捣ㄟm用于器件導(dǎo)通階段，但受柵極電流的影響，需同時(shí)監(jiān)測(cè)柵極電流和柵-源電壓，不同柵極電流下該方法的靈敏度變化不大，且靈敏度不高，僅為◆2mV/℃。

SiC JFET功率器件飽和電流具有負(fù)溫度特性，文獻(xiàn)[44]提出將器件的飽和電流作為溫敏參數(shù)，在柵-源電壓一定的情況下，測(cè)量恒定漏-源電壓下的飽和電流。飽和電流法的靈敏度高，線性度較好，但使用該方法測(cè)量器件的飽和電流時(shí)，需改變器件的控制策略，這樣會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況有一定影響，因而侵入性較大。

文獻(xiàn)[45]指出SiC器件的正向飽和壓降隨結(jié)溫的變化而變化，可利用小電流飽和壓降法來測(cè)量SiC器件的結(jié)溫。該方法通用性較強(qiáng)，適用于SiC功率開關(guān)器件及SiC功率二極管，但靈敏度不夠理想。對(duì)于具有體二極管的SiC JFET和SiC MOSFET器件，可通過檢測(cè)器件關(guān)斷狀態(tài)下體二極管通態(tài)壓降來反映器件結(jié)溫。該方法線性度較好，但靈敏度僅為◆2mV/℃，且體二極管溫度不能表征器件最大功率損耗點(diǎn)的溫度。

關(guān)斷時(shí)延法應(yīng)用于SiC功率開關(guān)器件時(shí)，靈敏度較低，僅為幾十ps/℃，實(shí)際測(cè)量難度較大，可能會(huì)造成較大的結(jié)溫測(cè)量誤差。增大外部柵極電阻或等效輸入電容可增大器件的關(guān)斷延時(shí)，因此文獻(xiàn)[46]提出了增添驅(qū)動(dòng)輔助電路的方法，結(jié)溫測(cè)量時(shí)，啟動(dòng)輔助電路，增大外部驅(qū)動(dòng)電阻來增大器件關(guān)斷延時(shí)，正常運(yùn)行時(shí)，恢復(fù)較小的驅(qū)動(dòng)電阻，以滿足較快的開關(guān)速度。

該方法應(yīng)用于SiC MOSFET器件時(shí)，靈敏度可從幾十ps/℃上升到幾百ps/℃，且對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行影響不大。與該方法類似，文獻(xiàn)[47]通過檢測(cè)開通過程中的diDS/dt來反映SiC MOSFET器件的結(jié)溫，提出在對(duì)器件進(jìn)行結(jié)溫測(cè)量時(shí)，增大柵極驅(qū)動(dòng)電阻來提高diDS/dt溫敏參數(shù)法的靈敏度，正常運(yùn)行時(shí)采用較小的驅(qū)動(dòng)電阻。

綜上可見，SiC功率器件的在線結(jié)溫提取方法要難于Si功率器件，國(guó)內(nèi)外學(xué)者正在努力探索SiC功率器件溫敏參數(shù)法存在的問題及可能的解決辦法。針對(duì)存在問題尋找有效的解決方法，或根據(jù)SiC功率器件新特性發(fā)掘更有應(yīng)用價(jià)值的溫敏參數(shù)法，是SiC功率器件溫敏參數(shù)結(jié)溫提取方法的兩大研究方向。

5.3 提出的SiC JFET器件結(jié)溫提取方法

本研究團(tuán)隊(duì)亦對(duì)SiC JFET功率器件溫敏參數(shù)結(jié)溫提取方法進(jìn)行了探索研究。

經(jīng)深入分析SiC JFET器件的溫度特性發(fā)現(xiàn)，SiC JFET器件柵-源極間寄生PN結(jié)的擊穿電壓vG,br也是溫敏參數(shù)。據(jù)此，本文創(chuàng)新性地提出基于vG,br參數(shù)的SiC JFET結(jié)溫提取方法，測(cè)量電路示意圖如圖10所示。與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路相比，該驅(qū)動(dòng)電路增添了DRC并聯(lián)電路。其中電阻Rp較大，用來限定JFET關(guān)斷狀態(tài)下的柵極電流；二極管VD為器件開通過程提供低阻抗通道；電容C用來加快器件的開關(guān)速度。

當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)向電壓VLow低于JFET柵-源PN結(jié)擊穿電壓時(shí)，柵-源電壓近似等于vG,br，DRC電路承擔(dān)VLow與vG,br之間的電壓差。由于vG,br具有溫度特性，在VLow恒定的情況下，通過檢測(cè)Rp上的壓降vRp可間接反映vG,br隨結(jié)溫變化的規(guī)律。

圖10 DRC電壓提取測(cè)試電路

基于SiC JFET功率器件的仿真模型，在Saber中對(duì)圖10測(cè)試電路進(jìn)行仿真，溫度從25℃變化到175℃時(shí)，得到的vRp與結(jié)溫的關(guān)系曲線如圖11所示。

圖11 vRp-Tj關(guān)系仿真曲線

由圖11可見，該方法具有較高的靈敏度，但線性度不十分理想，需增加校正點(diǎn)數(shù)。vG,br參數(shù)提取電路簡(jiǎn)單，位于器件驅(qū)動(dòng)回路，測(cè)量電路的電壓、電流應(yīng)力小，可集成性高，可在器件關(guān)斷時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)非侵入性測(cè)量。因此，該方法不失為SiC JFET功率器件結(jié)溫提取的一種有效思路，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能存在的問題有待進(jìn)一步研究。

結(jié)論

本文系統(tǒng)梳理了基于溫敏參數(shù)的Si功率器件的結(jié)溫提取方法、原理及典型特征等，從多個(gè)角度對(duì)已出現(xiàn)的各種溫敏參數(shù)法進(jìn)行了歸納分析和比較，并概述了現(xiàn)有溫敏參數(shù)法的校正問題、性能評(píng)估及局限性。此外，本文還對(duì)現(xiàn)有的較為典型的SiC功率器件結(jié)溫提取方法進(jìn)行了歸納分析，并展望了一種新穎的SiC JFET功率器件結(jié)溫提取方法。希望本文的工作可為功率器件可靠性研究和壽命預(yù)測(cè)方法提供參考。